KR100544966B1 - 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 그 목적은 냉각속도가 중심부에 비해 상대적으로 빠른 잉곳의 외주부를 서냉하여 웨이퍼 전면에 걸쳐서 균일한 열이력 분포를 갖도록 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치로서, 챔버; 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니; 도가니를 가열하는 히터; 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드; 및 잉곳에서 온도가 1000 내지 1100℃인 부분의 측방에 위치하도록 열실드와 잉곳 사이에 설치된 국부발열체를 포함하는 구성이다.

실리콘 단결정 잉곳, 국부발열체, 쵸크랄스키

Description

실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치 {An apparatus of manufacturing silicon single crystal ingot}

도 1은 종래 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 단결정 잉곳의 횡단면에서의 전형적인 결함분포를 도시한 잉곳의 횡단면도이고,

도 2는 종래 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳의 횡단면에서의 MCLT 스캐닝을 수행한 결과 얻어진 이미지를 도시한 것이며,

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이고,

도 4는 국부발열체 열처리 사이클의 일 예를 도시한 그래프이며,

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장할 때 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳의 온도변화량(ΔT)을 측정한 결과를 도시한 그래프이고,

도 6은 본 발명의 장치를 이용하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 횡단면에서의 결함분포를 도시한 잉곳의 횡단면도이고,

도 7a는 종래 일반적인 핫존에서 정지실험을 한 잉곳의 수직단면도를 나타낸 도면이며,

도 7b는 본 발명에 따라 반경방향으로의 열환경이 균일하게 제어된 핫존에서 정지 실험한 잉곳의 수직단면도를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

10 : 챔버 20 : 도가니

25 : 도가니 지지대 30 : 회전축

40 : 히터 45 : 보온통

50 : 열실드 60 : 국부발열체

70 : 연결로드

IG : 실리콘 단결정 잉곳 SM : 실리콘 융액

100 : 조대 베이컨시 영역 200 : 산소적층결함 링

300 : 미소 베이컨시 영역 Ava : 보이드 핵생성 영역

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 실리콘 잉곳 반경방향으로의 성장 및 냉각조건을 균일하게 하는 핫존 구조를 이용하여 산화막 내압 특성이 우수한 실리콘 웨이퍼용 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로는 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있다. 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로서 일반적으로 몇 가지 공정단계로 나누어진다.

먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 단계를 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 단계를 거치며 이 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정이 성장된다. 이 과정을 바디그로잉(body growing) 단계라 부르는데 이 때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어진다.

일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다.

이러한 결정성장 공정은 핫존(hot zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 그로어(grower) 내부의 발열체(heater), 보온 구조물을 포함한 여러 부품들로 이루어져 있다.

한편, 단결정 내의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하기 때문에 성장계면 근처의 열이력을 조절함으로써 성장결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 왔다.

성장결함은 크게 베이컨시 타입(vacancy-type)과 인터스티셜 타입(interstitial-type)으로 나누어지며, 베이컨시 점결함이나 인터스티셜 점결함이 평형농도 이상으로 존재하여 응집이 일어나면 결함으로 형성되는 것으로 알려져 있다.

결정성장 저널에 발표된 보론코프씨의 논문(V.V. Voronkov, "The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon", Journal of Crystal Growth 59 (1982) 625)에 의하면, 이러한 결함의 형성은 V/G 값과 밀접한 관계를 갖는데 여기서 V는 성장속도이며 G는 성장계면 근처의 결정 내 온도 기울기이다.

즉, V/G 값이 어떤 임계치를 초과하면 베이컨시-타입(vacancy-type)이 그리고 그 임계치 이하에서는 인터스티셜-타입(interstitial-type)의 결함이 형성된다. 따라서, 주어진 핫존에서 결정을 성장시킬 때는 인상속도에 의하여 결정 내에 존재하는 결함의 종류, 크기, 밀도 등이 영향을 받게 된다.

도 1에서는 일반적인 성장환경에서 산소적층결함링(OiSF, oxidation-induced stacking fault ring)(200)이 잉곳의 외주부에 위치하도록 인상속도를 조절하여 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 단결정 잉곳의 횡단면에서의 전형적인 결함분포를 도시한 잉곳의 횡단면도이다.

도 2는 일반적인 성장환경에서 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳의 횡단면에서의 소수캐리어수명(MCLT : minority carrier life time, 이하 MCLT라 칭함) 스캐닝을 수행하였을 때, 그 결과 얻어진 이미지를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 잉곳의 외주부가 중심부에 비하여 냉각속도가 빠르므로 외주부에는 디에스오디(DSOD : Direct Surface Oxide Defect)와 같은 미세한 결함이 존재하고, G값은 결정 중심에서부터 외주부까지 반경방향으로 증가하기 때문에 중심부에는 씨오피(COP : Crystal Originated Particle)나 에프피디(FPD : Flow Pattern Defect)와 같은 조대한 베이컨시 결함이 존재하게 된다.

이와 같이 쵸크랄스키 방법으로 성장시킨 실리콘 단결정에 있어서 산화막 내압 특성을 떨어뜨리는 주원인은 실리콘 단결정의 육성 시에 결정 내로 도입되는 베이컨시 결함에 의해 형성된 임계크기의 미세한 결함이라고 알려져 있으며, 이러한 사실에 근거하여 산화막 내압 특성을 향상시키기 위해 결정의 고체-액체 계면 근방의 축 방향 온도구배(G)를 제어하거나 단결정 실리콘이 실리콘 융액으로부터 응고되어 형성될 때의 점 결함의 초기 농도형성을 제어하는 방법을 사용하였다.

다른 접근 방식으로는 단결정 실리콘이 실리콘 융액으로부터 응고되어 냉각되어 가는 열이력 과정 중에 결함 핵이 형성되어 성장하는 온도 구간인 응고 온도로부터 약 1000℃ 근방의 온도까지 결정의 냉각속도를 제어함으로써 실리콘 인터스티셜 또는 베이컨시의 확산이 잉곳의 측면 쪽으로 향하도록 하거나 서로 재결합을 촉진하여 이에 따라 응집이 발생하는 임계수치 미만인 수치로 인터스티셜 또는 베이컨시의 과포화를 억제하는 것이다. 유입된 베이컨시 결함은 구성된 핫존의 열이력 분포에 따라 확산, 핵 생성 및 응집과정을 통하여 성장하게 되고 이러한 산화막 내압특성에 악영향을 주는 COP를 제거 또는 감소시키기 위하여 많은 시도가 있었다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래 일반적인 핫존에서 산소적층결함 링(200)이 주변에 존재하도록 하는 인상속도로 잉곳을 성장시키면, 잉곳 중심부에는 열의 축적과 서냉효과로 인하여 조대 베이컨시 결함 영역(100)이 형성되고 이러한 중심부 보다는 외측에 위치하고 산소적층결함 링(200)의 내측에 위치하는 부분에는 중심부에 비하여 냉각속도가 빠르기 때문에 미소 베이컨시 결함 영역(300)이 형성되어 잉 곳 반경방향으로의 균일한 베이컨시 결함의 분포가 형성되지 않는다.

또한, 빠른 냉각으로 형성된 미세한 베이컨시 결함으로 인하여 산화막 내압특성을 저하시키고 이러한 현상은 주로 냉각속도가 빠른 웨이퍼의 외주부에서 빈번하게 발생된다.

따라서, 디바이스공정 중에 문제가 되는 이러한 베이컨시 결함을 줄이기 위해서는 인상속도를 줄여야 하는데, 인상속도를 줄일 경우 생산성이 떨어지는 문제가 있고, 또한 인상속도를 과도하게 줄이면 인터스티셜 결함이 형성될 위험이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 냉각속도가 중심부에 비해 상대적으로 빠른 잉곳의 외주부를 서냉하여 웨이퍼 전면에 걸쳐서 균일한 열이력 분포를 갖도록 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 실리콘 잉곳 반경방향으로의 성장 및 냉각조건을 균일하게 하는 핫존 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 산화막 내압 특성에 악영향을 미치는 임계크기 이하의 미세한 베이컨시 결함을 제거하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 산화막 내압 특성을 포함하여 디바이스 특성이 우수한 고품질 실리콘 웨이퍼용 잉곳 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고품질의 실리콘 웨이퍼의 생산성을 향상시키고, 제조비용을 절감하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 범위에서 최소화되도록 장치를 적절하게 변경한다.

즉, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치로서, 챔버; 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니; 도가니를 가열하는 히터; 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드; 및 잉곳에서 온도가 1000 내지 1100℃인 부분의 측방에 위치하도록 열실드와 잉곳 사이에 설치된 국부발열체를 포함하는 구성이다.

이 때 국부발열체는 연결로드를 매개로 하여 열실드에 의해 지지될 수 있고, 특히 열실드로부터 잉곳을 향해 돌출되도록 열실드에 설치되는 연결로드의 말단과 결합 설치될 수 있다.

국부발열체는 잉곳의 성장 중에 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳의 온도변화량을 20 ℃/cm 보다 작거나 같도록 만들 수 있다.

이 때 온도변화량은 잉곳의 외주부에서의 온도변화량인 것이 바람직하고, 수직방향으로의 온도변화량인 것이 바람직하다.

또한, 국부발열체는 잉곳의 성장 중에 잉곳과 실리콘 융액과의 계면에서 수 직온도기울기가 20 K/cm 보다 크거나 같도록 만들 수 있다.

국부발열체는 잉곳의 성장 중에 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳 중심부에서의 수직온도기울기와 잉곳 외주부에서의 수직온도기울기 사이의 차이를 1.5 K/cm 보다 작거나 같게 만들 수 있다.
국부발열체는 1-5 kW의 전력으로 가동되거나, 또는 상기 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃에서 국부발열체로 열처리 사이클을 가지면서 가동될 수 있다.

삭제

열실드와 잉곳과의 이격거리는 15 내지 40 mm 인 것이 바람직하고, 열실드는, 실리콘 융액 상부에 위치하고 두께가 10 내지 40mm인 하단부를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

쵸크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정은 전기적 특성 뿐만 아니라 기계적 특성도 우수하기 때문에 종래부터 엘에스아이(LSI : large scale integration) 용 반도체 재료로서 널리 사용되고 있다.

그런데 실리콘 단결정의 산화막 내압은 실리콘 웨이퍼 상에 형성하는 실리콘 산화막이 파괴되기 전까지 견디는 전압의 세기 및 시간으로 표현될 수 있는데, 이러한 산화막 내압을 포함한 디바이스 특성은 제조 방법에 따라 크게 달라지는 것으로 알려지고 있다.

예를 들어 쵸크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정의 산화막 내압특성은 부유대 용해법(Float Zone 법)에 의해 제조된 실리콘 단결정의 경우보다 나쁘고, 또한 쵸크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정으로부터 제작된 웨이퍼 위에 얇은 막을 에피텍셜 성장시킨 웨이퍼의 경우에 비해서도 나쁘다.

본 발명에서는 이와 같이 산화막 내압 특성이 상대적으로 나빴던 쵸크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정에 대해서, 산화막 내압 특성을 향상시키고자 한 것이다.

한편, 근래의 디바이스의 고집적화 추세에 따라 디바이스는 보다 더 미세화되고 있고, 이에 따라 게이트 산화막의 신뢰성 향상이 더욱 요구되고 있으며, 산화막 내압 특성은 디바이스의 신뢰성을 결정하는 중요한 재료 특성의 하나이기 때문에 산화막 내압 특성이 우수한 쵸크랄스키 실리콘 단결정의 제조기술 개발이 절실하게 요청되고 있는 실정이다.

본 발명에서는 산화막 내압 특성에 악영향을 미치는 주원인인 임계크기 이하의 미세한 결함을 없애고, 임계크기 이상의 조대 결함이 반경방향으로 균일하게 분포하도록 실리콘 달결정을 성장시키고자 한다.

이를 위해 본 발명에서는 냉각속도가 중심부에 비해 상대적으로 빠른 잉곳의 외주부를 서냉하여 웨이퍼 전면에 걸쳐서 균일한 열이력 분포를 갖도록 하고, 반도체 제조공정의 디자인 룰(design rule)을 고려하여 미세한 베이컨시 결함을 확산, 응집 및 성장시켜 산화막 내압특성에 영향을 미치지 않는 임계크기 이상의 조대한 베이컨시 결함을 반경방향으로 균일하게 조밀도로 형성한다.

특히 베이컨시가 생성되어 성장하는 온도구간인 1000 내지 1100 ℃의 온도구간이 서냉될 수 있도록 핫존을 구성하고, 냉각 조건을 조절하여 반경방향으로의 열이력(thermal history) 균일도를 증가시켜 잉곳을 성장시키고 절단하여 웨이퍼로 가공하면, 산소적층결함 링 영역이 웨이퍼의 외주부에 분포하고 산소적층결함 링의 내측으로 조대한 베이컨시 결함이 웨이퍼 반경방향으로 균일하게 존재하게 된다.

이와 같이, 서냉효과를 통하여 적절히 제어된 베이컨시 결함을 갖고, 특히 반경방향으로 균일한 베이컨시 결함 분포를 갖는 웨이퍼는 반경방향으로 불균일한 결함분포를 갖는 웨이퍼에 비하여 디바이스 공정 중에 문제를 일으키지 않는다고 가정할 수 있으므로 결과적으로 우수한 디바이스 수율을 예상할 수 있다.

본 발명에서는 실리콘 잉곳을 성장시키는 과정에서 반경방향으로의 성장 및 냉각조건을 균일하게 하기 위해서 열실드의 설계를 적절히 하고 잉곳의 측방에 국부발열체를 추가로 설치하는 등의 방법을 통해 실리콘 융액으로부터의 복사열을 조절한다.

본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키며 도 3에 도시된 바와 같은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 이용한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 챔버(10)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.

챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 석영 도가니(20)가 설치되며, 이 석영 도가니(20)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 석영 도가니(20)를 에워싸도록 설치된다.

도가니 지지대(25)는 회전축(30) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(30)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 석영 도가니(25)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(40)에 에워싸여지며, 이 히터(40)는 보온통(45)에 의해 에워싸여진다.

히터(40)는 석영 도가니(20) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 보온통(45)은 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 석영 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(20)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(20)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.

챔버(10)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시킨다.

실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(50)가 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하며, 열실드(50)와 잉곳(IG) 사이에는 온도가 1000 내지 1100℃인 잉곳의 측방에 위치하도록 국부발열체(60)가 설치되어 잉곳(IG) 외주부를 서냉시키도록 한다.

열실드(50)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소(C) 또는 SiC가 코팅된 흑연으 로 이루어지고 다양한 형상으로 제작될 수 있다.

예를 들면, 열실드(50)는 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에 설치된 원통 형상의 제 1 차폐부와, 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 보온통(45) 상부에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와, 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어질 수도 있다.

그러나 열실드(50)의 형상은 상술한 구조로 한정되지 않고, 본 발명에서는 어떠한 형상의 열실드라도 가능하다.

열실드의 형상에 제한되지 않고 어떠한 형상이든 열실드(50)와 잉곳(IG) 사이에서 특히 온도가 1000 내지 1100℃인 잉곳의 측방에 위치하도록 본 발명의 국부발열체(60)가 설치된다.

국부발열체(60)는 연결로드를 매개로 하여 열실드(50)에 의해 지지되며, 일 예로는 도 3에 도시된 바와 같이 열실드(50)로부터 잉곳(IG)을 향해 돌출되도록 열실드(50)에 설치되는 연결로드(70)의 말단과 결합 설치될 수 있다. 그러나 국부발열체(60)가 반드시 연결로드(70)와 결합 설치되는 것으로 한정할 필요는 없고, 다양한 방법에 의해 열실드(50)에 부착될 수 있다.

국부발열체(50)는 잉곳의 성장 중에 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳의 온도변화량(ΔT)을 20 ℃/cm 보다 작거나 같도록 만들 수 있다.

이 때 온도변화량(ΔT)은 적어도 잉곳의 외주부에서의 온도변화량을 의미하며, 잉곳의 중심부에서는 이보다 더 작은 폭으로 온도가 변화할 것이 충분히 예상된다.

또한, 여기서 온도변화량(ΔT)은 수직방향으로의 온도변화량을 의미한다.

상술한 잉곳 성장 조건을 시뮬레이션하여 잉곳 중심부에서의 수직온도기울기와 잉곳 외주부에서의 수직온도기울기 사이의 차이(ΔG)를 구하면, 그 값이 1.5 K/cm 보다 작거나 같다.

이렇게 실리콘 단결정 잉곳을 성장하면, 잉곳과 실리콘 융액과의 계면(고-액 계면)에서의 수직온도기울기(G)는 20 K/cm 보다 크거나 같은 상태가 되며, 이러한 상태는 국부발열체(60)를 설치하는 것에 의해 달성된 것이다. 이와 같이 G 값이 크므로 인상 속도를 높일 수 있어서, 생산성이 향상되는 장점이 있다.

상술한 바와 같은 잉곳 성장환경을 만들어 주기 위해서 국부발열체는 1-5 kW의 전력으로 가동되거나, 또는 목적하는 열처리 사이클을 가지면서 가동될 수 있다. 즉, 열처리 사이클은 핫존(Hot Zone, H/Z) 구조에 따라 좌우될 수 있으므로 목적하는 열처리(잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃) 사이클을 가지면서 가동(운용)될 수 있다.

도 4는 국부발열체의 열처리 사이클의 일 예를 도시한 그래프이다. 그러나, 국부발열체의 열처리 사이클은 도 5의 그래프로 한정되는 것은 아니고, 잉곳의 크기, 열실드의 형상을 포함하여 핫존 구조 등에 따라서 적절히 변경 가능하다.

또한, 잉곳의 온도가 900℃ 이하로 내려가는 구간에서는 산소석출이 발생하는 산소적층결함 링의 성장 온도이므로 국부발열체의 위치 및 발열크기를 조절함으로써 약 900℃ 부근의 온도기울기를 크게 하여 산소적층결함 링의 발생억제를 기대할 수도 있다.

또한, 상술한 바와 같은 잉곳 성장환경을 만들어 주기 위해서는 열실드(50)와 잉곳(IG)과의 이격거리를 15 내지 40 mm 으로 하고, 실리콘 융액(SM) 상부에 위 치하는 열실드(50)의 하단부 두께를 10 내지 40mm 으로 할 수도 있다.

도 5는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장할 때 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳의 온도변화량(ΔT)을 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 5에는 종래 일반적인 쵸크랄스키법에 의한 비교예의 경우를 함께 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예의 경우 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳의 온도변화량(ΔT)는 15 ℃/cm 이하였고, 비교예의 경우에 비해 작음을 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명의 장치를 이용하여 결정의 성장 및 냉각조건이 반경방향으로 균일한 핫존에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키면 도 6에 도시된 바와 같은 잉곳 횡단면에서의 결함분포를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 장치를 이용하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 횡단면에서의 결함분포를 도시한 잉곳의 횡단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이 웨이퍼의 외주부에 산소적층결함 링(200)이 형성되어 있고, 산소적층결함 링(200)의 내측으로는 조대 베이컨시 결함이 균일하게 존재하는 조대 베이컨시 결함 영역(100)이 있다.

이는 종래 조대 베이컨시 영역이 중심부에 제한되어있고 그 바깥을 미소결함영역이 둘러싸고 있던 도 1 및 도 2를 비교해 볼 때, 미소결함영역에 있던 미세한 베이컨시 결함들이 서냉효과 및 균일한 열이력 분포를 통해 확산 및 응집하여 산화막 내압특성에 영향을 미치지 않는 임계크기 이상으로 성장한 결과이다.

반경방향으로의 냉각조건 균일도는 정지실험(Halt Test)을 통해 확인할 수 있다. 보론코프씨의 논문(V.V. Voronkov and R. Falster, "Grown-in Microdefects, Residual Vacancies and Oxygen Precipitation Bands in Czochralski Silicon", Journal of Crystal Growth 204 (1999) 462)에 의하면, 정지실험을 한 결정에는 특징적인 석출패턴이 나타난다.

도 7a는 일반적인 핫존에서 정지실험을 한 결정의 수직단면도를 나타낸 도면이며, 도 7a에서 밝게 나타나는 영역은 산소석출이 많이 일어난 영역으로서 산소석출물에 해당하며 이 산소석출물의 상부에는 보이드(Void) 핵 생성 영역(Ava)이 존재한다. 이 부근은 정지실험 당시 약 1070℃의 온도에서 과잉 열이력을 경험한 잉곳 부분에서 나타난다.

이에 반해 도 7b는 도 3에 도시된 본 발명의 장치에 따라 반경방향으로의 열환경이 균일하게 제어된 핫존에서 정지 실험한 잉곳의 수직단면도를 나타낸 도면이며, 도 7b에서는 보이드 핵 생성 영역(Ava)과 산소석출 영역의 경계인 산소석출물이 도 7a와는 달리 반경방향으로 수평하게 형성된 것을 보여준다. 이것은 결정 내의 점결함 농도 및 냉각속도가 반경방향으로 균일하다는 것을 간접적으로 증명하는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 잉곳에서 온도가 1000 내지 1100℃인 부분의 측방에 위치하도록 열실드와 잉곳 사이에 국부발열체를 설치하여, 베이컨시가 성장하는 온도 구간인 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 잉곳 외주부의 온도변화량이 20 ℃/cm 보다 작거나 같은 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킴으로써, 잉곳의 외주부를 서냉하여 웨이퍼 전면에 걸쳐서 균일한 열이력 분포를 갖도록 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에서는 실리콘 잉곳 반경방향으로의 성장 및 냉각조건이 균일한 핫존 구조를 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 장치를 이용하면 산화막 내압 특성에 악영향을 미치는 임계크기 이하의 미세한 베이컨시 결함이 제거된 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에서는 산화막 내압 특성을 포함하여 디바이스 특성이 우수한 고품질 실리콘 웨이퍼용 잉곳 제조 장치를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 국부발열체를 설치하거나 열실드의 설계를 단순히 설경하는 간단한 방법으로 고품질의 실리콘 웨이퍼를 제조하므로 비용을 절감할 수 있고 생산성이 높은 효과가 있다.

Claims (11)

1. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서,

   챔버;

   상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니;

   상기 도가니를 가열하는 히터;

   실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 상기 잉곳과 상기 도가니 사이에 설치되어 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드; 및

   상기 잉곳에서 온도가 1000 내지 1100℃인 부분의 측방에 위치하도록 상기 열실드와 상기 잉곳 사이에 설치된 국부발열체

   를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 국부발열체는 연결로드를 매개로 하여 상기 열실드에 의해 지지되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 국부발열체는 상기 열실드로부터 상기 잉곳을 향해 돌출되도록 상기 열실드에 설치되는 연결로드의 말단과 결합 설치된 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 국부발열체는 상기 잉곳의 성장 중에 상기 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 상기 잉곳의 온도변화량을 20 ℃/cm 보다 작거나 같도록 만드는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 온도변화량은 상기 잉곳의 외주부에서의 온도변화량인 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 온도변화량은 수직방향으로의 온도변화량인 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 국부발열체는 상기 잉곳의 성장 중에 상기 잉곳과 실리콘 융액과의 계면에서 수직온도기울기가 20 K/cm 보다 크거나 같도록 만드는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 국부발열체는 상기 잉곳의 성장 중에 상기 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃ 인 구간에서 상기 잉곳 중심부에서의 수직온도기울기와 상기 잉곳 외주부에서의 수직온도기울기 사이의 차이를 1.5 K/cm 보다 작거나 같게 만드는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 국부발열체는 1-5 kW의 전력으로 가동되거나, 또는 상기 잉곳의 온도가 1000 내지 1100℃에서 상기 국부발열체로 열처리 사이클을 가지면서 가동되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
10. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 열실드와 상기 잉곳과의 이격거리가 15 내지 40 mm 인 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
11. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 열실드는, 상기 실리콘 융액 상부에 위치하고 두께가 10 내지 40mm인 하단부를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.

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